应用气象学报  2010, 21 (6): 716-723   PDF    
引用本文
郭杨, 卢乃锰, 谷松岩. 毫米/亚毫米波探测大气温度和湿度的通道选择[J]. 应用气象学报, 2010, 21(6): 716-723.
Guo Yang, Lu Naimeng, Gu Songyan. Channel Selection of Millimeter/Submillimeter Wave for Temperature and Humidity Sounding[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2010, 21(6): 716-723  
毫米/亚毫米波探测大气温度和湿度的通道选择
郭杨1, 卢乃锰2, 谷松岩2     
1. 中国气象科学研究院, 北京 100081;
2. 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心, 北京 100081
2009-09-21 收到, 2010-08-04 收到修改稿.
资助项目: 科技部863项目“星载毫米/亚毫米波云雨大气遥感的仿真数值模拟研究”(2007AA122115) 资助    
摘要: 利用热带大气温湿廓线计算了热带地区毫米/亚毫米波段微波大气透过率权重函数。对权重函数峰值高度的分析结果显示：对流层低层的大气温度可以选择118 GHz通道的远翼频率来探测，而对高层大气温度进行探测时，选择425 GHz通道的远翼频率较为合适；在大气湿度探测方面，183 GHz通道组合适合探测对流层中层大气的湿度，高层大气湿度探测应该首先考虑380 GHz通道组合来实现。根据大气温度探测通道和大气湿度探测通道的权重函数分布，鉴于国内现有遥感仪器的制造水平，建议选择118 GHz 3个通道与425 GHz 8个通道共11个大气温度探测通道和183 GHz 3个通道与380 GHz 5个通道共8个大气湿度探测通道作为未来静止轨道微波探测的候选通道。
关键词: 静止轨道    毫米/亚毫米波    权重函数    通道选择    
Channel Selection of Millimeter/Submillimeter Wave for Temperature and Humidity Sounding
Guo Yang1, Lu Naimeng2, Gu Songyan2     
1. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081;
2. Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites, National Satellite Meteorological Centrr, China Meteorological Administration, Beijing 100081
Abstract: The weather systems generated over tropical oceans are difficult to be detected by conventional observation, so the satellite remote sensing becomes the most effective way to monitor them. Geostationary Meteorological Satellites can observe the earth with high temporal resolution and is desirable for severe weather monitoring. But the spatial resolution for microwave instrument on board GEO could be poor because the satellites are in their high altitude orbits. To improve the spatial resolution, millimeter/submillimeter wave sounders are considered. Passive microwave sounding from geosynchronous orbit is first studied in the mid 1970s. During the early 1990s, it's suggested that the use of submillimeter wavelength water vapor and oxygen bands can significantly reduce the antenna size and costs, while retaining good spatial resolution. Based on this notion, a practical submillimeter wave geosynchronous microwave (GEM) sounder and imager is developed by the Geosynchronous Microwave Sounder Working Group (GMSWG). During the mid 1990s aperture synthesis is proposed to geostationary microwave imaging and sounding. The Geo STAR (Geostationary Synthetic Thinned Aperture Radiometer) and GAS (Geostationary Atmospheric Sounder) concept are put forward by America and Europe respectively based on this technique. In order to explore the potential applicability of millimeter/submillimeter sounders in tropical observation, weight functions for O2 and H2O absorption bands are calculated based on the atmosphere profiles of tropical region. The peak distribution of weight functions show that the far wings of 118 GHz can be chosen to measure the atmospheric temperature in lower troposphere, and for the temperature of the upper level, the far wings of 425 GHz are more suitable. In terms of humidity observation, the 183 GHz and 380 GHz channel combinations can be used for the middle and upper levels. Based on the analyses above, considering industry capability as well, eleven temperature channel combination including three channels around 118 GHz and eight channels around 425 GHz, eight humidity channel combination including three channels around 183 GHz and five channels around 380 GHz are recommended as the microwave observation channels for the geostationary orbit in the future. Furthermore, the differences of brightness temperature in different bandwidth range of O2 and H2O absorption bands are calculated using the temperature and water vapor profiles. Through this bandwidth selection test, retrieval results of temperature and humidity are statistically analyzed.It shows that in the temperature detection channel, 5.3 GHz or less and 4 GHz or less can be set as the bandwidth range for 118 GHz and 425 GHz respectively. As for the humidity detection channel, 183 GHz with a range of bandwidth 8.5 GHz or less and 380 GHz with a range of bandwidth 15 GHz avoiding 360.498 GHz is recommended, which is the oxygen absorption channel.
Key words: geostationary orbit     millimeter/submillimeter wave     weight function     channel selection    
引言

对热带海洋上发生的天气系统的监测，常规气象探测手段很难满足灾害预警的需求，卫星探测成为监测热带地区天气系统发生和发展最为有效的手段之一[1]｡尽管太阳同步轨道 (极轨) 气象卫星具有通道信息丰富、空间分辨率高的特点，但较长的回归周期限制了极轨气象卫星资料在灾害性天气监测预警中的作用｡对快速变化的台风、暴雨等灾害性天气现象的发生、发展和消亡的有效监测要依靠静止气象卫星来完成[2-3]｡将静止轨道遥感探测的高时效性优势和微波对云雨大气独具的穿透性探测能力相结合，提升对快速变化的台风、暴雨等灾害性天气系统的监测预警能力，是发展静止轨道微波探测的初衷｡在静止轨道上发展微波探测，受天线口径对地面分辨率的制约，需要考虑毫米/亚毫米波[4]才能将静止微波的高时效性优势、云雨大气探测优势与满足天气气候应用的空间分辨能力有机结合｡

鉴于毫米/亚毫米波云雨大气探测的重要应用价值，美国和欧洲都在致力于发展地球同步轨道毫米/亚毫米波探测技术｡为获取高时间分辨率云雨大气遥感信息，美国科学家早在20世纪70年代末就提出了在静止轨道上开展微波遥感探测的大胆设想，1998年美国科学家提出了静止轨道微波观象台的概念 (Geostationary Microwave Observatory, GEM)[5-7]｡与此同时，欧洲科学家也在2002年建议开展“微波大气探测静止观测平台计划"(Geostationary Observatory for Microwave Atmospheric Sounding, GOMAS)[8]｡在真实孔径天线技术体制支撑下的GEM和GOMAS构想逐步发展完善过程中，随着国际上微波技术的发展，美国和欧洲也相继提出各自综合孔径静止轨道微波探测的构思，美国提出了GeoSTAR (Geostationary Synthetic Thinned Aperture Radiometer)，欧洲提出了GAS (Geostationary Atmospheric Sounder)[9-14]｡中国在下一代静止气象卫星风云四号卫星规划中，明确提出静止轨道微波探测的构想，与WMO未来静止轨道卫星发展规划相吻合，这必将带动国内相关载荷设计技术和应用技术的发展｡

本文利用热带大气温湿廓线，计算水汽吸收带和氧气吸收带附近频率的权重函数，进行毫米/亚毫米波通道特征的分析，为我国未来静止轨道微波辐射计通道选择和指标确定提供参考｡

1 模式和方法 1.1 VDISORT辐射传输模式

本文采用的是Weng[15]利用离散纵标方法开发的向量形式的辐射传输计算模式，简称VDISORT (Vector DIScrete ORdinate Transfer)，算法可以模拟稀疏介质 (例如云、雨) 中存在多次散射效应的极化微波辐射传输过程｡模型适用于计算垂直各向异性平行平面分层大气介质中微波辐射的极化特征量，是理论分析大气对地表微波辐射影响的工具｡

本文所用的大气廓线数据是美国空军地球物理实验室 (AFGL) 给出的5种模式大气之一的热带大气廓线[16-20]｡

1.2 方法

图 1是标准大气晴空条件下天底不透明度图，由图 1可见，在100GHz以上，有3条水汽吸收线:183GHz, 325GHz和380GHz (325GHz水汽吸收带和183GHz水汽吸收带的吸收强度相当，本文暂不讨论)；氧气有2条吸收线:118 GHz和425GHz｡这是因为随着频率的增高，大气水汽积分吸收的影响加大，天底不透明度增加，穿透深度变小｡

图 1. 标准大气晴空条件下1~1000GHz天底不透明度[9] Fig 1. Clear-sky atmospheric opacity at nadir for up to 1000 GHz for a mean standard atmosphere[9]

卫星探测仪器的通道权重函数曲线反映了大气中各个气压层的辐射对探测器接收到的来自整层大气辐射的贡献大小，即大气向上辐射主要是由哪一部分 (大气层) 引起，权重函数曲线的每一个峰值代表大气对向上辐射贡献最大的部分｡

定义中心波数是v*的权重函数为[21]

(1)
(2)

式 (1) 和式 (2) 中，W为权重函数，τ(v*，p，θ) 为中心波数为v*的通道透过率，p为气压，θ为天顶角，u是光学厚度｡

由VDISORT模式计算出大气廓线在选定频率的每层光学厚度，根据式 (2) 计算出每层的透过率，然后根据式 (1) 计算出各个频率的权重函数｡

本文将针对热带地区，讨论在毫米/亚毫米波段水汽和氧气吸收通道的权重函数特征，来探讨不同频率组合的可能性｡

2 热带地区权重函数

各个频率的权重函数峰值高度各不相同，对不同高度的大气信息有不同的敏感性，可以选择不同频率来探测不同高度层的大气｡为了定量说明不同频率对各高度层大气的探测能力，选择热带大气温湿廓线 (图 2) 数据，根据公式计算权重函数｡

图 2. 热带地区温湿廓线 (a) 温度廓线，(b) 湿度廓线 Fig 2. Temperature profile and water vapor profile in the tropical region (a) temperature profiling, (b) water vapor profiling

计算以183.31GHz为吸收中心和以380.197GHz为吸收中心的水汽吸收通道各频率的权重函数如图 3所示｡可以看出，183GHz通道的几个频率适合探测300hPa以下的大气湿度状况，而300hPa以上大气湿度探测选择380GHz通道组合更为合适｡

图 3. 热带地区183GHz (a) 和380GHz (b) 水汽通道权重函数分布图 Fig 3. Weighting functions for humidity in the bands of 183 GHz (a) and 380 GHz (b) in the tropical region

选择以118.75GHz为吸收中心和424.763GHz为吸收中心的氧气吸收通道计算各频率的权重函数如图 4所示｡由权重函数的分布可以看出，118GHz通道的几个频率可以对500hPa以下的大气温度进行探测｡500hPa以上大气，118GHz和425GHz的探测能力相当｡考虑到不同天线口径下地面分辨率随频率的变化，在天线口径为3 m时，118 GHz的分辨率为37km, 425 GHz的分辨率可以达到10km[8]，显示出425GHz通道在空间分辨率上的优势｡因此，可以选择425GHz通道的相关频率进行500hPa以上大气温度的探测｡

图 4. 热带地区118GHz (a) 和425GHz (b) 氧气通道权重函数分布图 Fig 4. Weighting functions for temperature in the bands of 118 GHz (a) and 425 GHz (b) in the tropical region

在天气学上，通常选取850hPa和700hPa为大气底层的特征层，500hPa为大气中层的特征层，而大气高层的特征层一般选在200hPa｡针对天气学上所选定的不同高度的特征层而言，由于频率越高受大气水汽积分吸收的影响越大，穿透深度越小，再依据以上亮温模拟分析，在热带地区可以选择118GHz通道的远翼频率探测对流层低层大气温度，425GHz通道的远翼频率探测高层大气温度；183GHz通道组合探测对流层中层大气湿度，而380GHz通道组合探测高层大气湿度比较合适｡

3 毫米/亚毫米波通道选择 3.1 双边带位置的选择

微波辐射计通常在气体吸收峰左右对称位置设置双边带构成一个探测通道｡这样既增加了仪器的接收能量，又抑制了频率漂移对探测结果的影响｡

双边带设计的基础是吸收带的对称性，然而无论是氧气吸收带还是水汽吸收带都不可能完全对称｡因此，探讨在吸收峰左右多大范围内可以采用对称双边带的方法设计遥感仪器是有意义的｡讨论大气湿度探测通道时，首先计算以183.31GHz为中心、±20GHz范围内和以380.197GHz为中心、±30 GHz范围内的亮温，计算的步长均为0.001GHz｡然后分别计算以183.31 GHz和380.197GHz为中心，对称的两个频率的亮温差，所得曲线如图 5所示｡图 5a为183GHz通道的情况，图 5b为380GHz通道的情况｡根据国家卫星气象中心吴雪宝等对水汽反演误差的统计[22]结果，当观测亮温的允许误差为1.5K时，水汽含量的反演误差可以控制在10%以内｡由图 5可以看出，对于183GHz通道而言，在183.31±8.5GHz范围内，亮温的差值小于1.5K；在380GHz探测通道，由于360GHz附近有一氧气吸收带，只要避开368.498GHz附近氧气吸收通道的影响，在380.197±15GHz范围内，亮温的差值不超过1.5K｡故可以在此频带宽度内设置双边带，进而使得水汽反演误差能控制在10%以内｡

图 5. 大气湿度探测通道的辐射亮温差 (a)183GHz, (b)380GHz Fig 5. Difference of brightness temperature in the humidity channels (a) 183 GHz, (b) 380 GHz

分析大气温度探测通道｡同样的方法计算以118GHz和425GHz为中心，±20GHz范围内的亮温差 (如图 6所示)｡根据吴雪宝等统计反演分析[22]，当观测亮温误差为1.5 K时，能够保证大气温度反演的误差在1 K之内｡因此，在118.75±5.3GHz以及424.763±4 GHz范围内，亮温的差值小于1.5K，在这些频段内设置双边带，即可以保证大气温度反演误差的反演精度在1K以内｡

图 6. 大气温度探测通道的辐射亮温差 (a)118GHz, (b)425GHz Fig 6. Difference of brightness temperature in the temperature channels (a)118 GHz, (b)425 GHz

3.2 通道带宽的选择

微波辐射计通道设计时的一个重要仪器参数就是通道带宽｡带宽设计得较宽，可以增加仪器接收的能量，但如果带宽过宽，采用中心频率进行大气参数反演时就会带来很大误差，而这一误差的大小又与探测频率相关联｡因此，讨论不同频率的带宽选取范围是必要的｡对所选择的中心探测频率，计算一定带宽内亮温的积分平均值与中心频率亮温的差值，给出理论上不同频率所允许的带宽大小｡计算118GHz和425 GHz氧气吸收通道以及183 GHz和380GHz水汽吸收通道的亮温差值曲线如图 7所示｡由于中心频率左右对称通道 (f0±f) 计算结果差异很小，因此文中只给出中心频率左侧 (f0-f) 的结果｡

图 7. 吸收线一组各通道不同带宽亮温差 (a)118GHz, (b)425GHz, (c)183GHz, (d)380GHz Fig 7. different bandwidth range at 118 GHz (a), 425 GHz (b), 183 GHz (c), 380 GHz (d)

选择118GHz通道和425GHz通道进行大气温度探测，183GHz通道和380GHz通道对大气湿度进行探测时，在各中心频率的带宽指标范围内分别设置通道的带宽就可以确保探测结果的可用性 (表 1)｡

表 1 大气温度和大气湿度探测的通道设置表 Table 1 Channels selected for detecting temperature and humidity

3.3 毫米/亚毫米波通道频率选择

在双边带位置选择和通道带宽选择分析基础上，以权重函数为依据，综合考虑不同频率对不同高度层的代表性，同时考虑到国内目前遥感仪器制造的技术水平，建议选择118 GHz3个通道与425GHz8个通道共11个大气温度探测通道和183GHz3个通道与380GHz5个通道共8个大气湿度探测通道作为未来微波遥感仪器的候选通道，具体的通道设置见表 1｡

4 结论

热带地区是气流辐合、上升带，其大气温度很高且很潮湿，所以热带地区中下层的大气经常处于不稳定状态，极有利于对流的发展，热带地区的这一特征是强烈天气系统发生、活动的背景和条件｡为发展静止轨道微波对热带地区发生、发展的灾害性天气系统的监测，本文利用热带地区的大气廓线资料，计算了183GHz和380 GHz水汽吸收带以及118GHz和425GHz氧气吸收带的权重函数，结果表明:

1) 在热带地区进行探测时，对流层低层的大气温度可以选择118GHz通道的远翼频率来探测，而对高层大气温度进行探测时，选择425GHz通道的远翼频率较为合适｡

2) 在大气湿度探测方面，183GHz通道组合适合探测对流层中层大气湿度，高层大气湿度应该首先考虑380GHz通道组合来实现｡

3) 给出了118GHz3个通道与425GHz8个通道共11个大气温度探测通道，183GHz3个通道与380GHz5个通道共8个大气湿度探测通道作为未来微波遥感仪器的候选通道｡

4) 带宽选择试验结果表明:在大气温度和湿度探测通道设置双边带时，118GHz通道的双边带可设置在5.3GHz以内，425GHz通道的双边带可设置在4GHz以内，183GHz通道的双边带可设置在8.5GHz以内，380GHz通道为只需要避开360.498GHz氧气吸收通道，在15GHz以内都可以设置双边带｡

致谢 本文所用UWNMS云模式资料由NOAA杨松博士提供，在此表示感谢｡感谢国家卫星气象中心李小青、漆成莉在大气廓线数据上提供的帮助，感谢国家卫星气象中心吴雪宝研究员提供的反演统计资料｡
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